La surface d'un matériau a souvent des propriétés très différentes de celles du matériau. Par exemple, un cristal non conducteur, qui ne présente en fait aucun magnétisme, peut montrer une aimantation restreinte à sa surface en raison de la façon dont les atomes y sont disposés. Ces propriétés distinctes aux interfaces et surfaces des matériaux jouent souvent un rôle clé dans le développement de nouveaux composants fonctionnels tels que les puces ou les capteurs optoélectroniques et font donc l'objet de recherches approfondies. Une équipe de recherche internationale de l'Université de Göttingen, l'Institut Max Planck de chimie biophysique de Göttingen et le Conseil national de recherches du Canada ont maintenant réussi à étudier les surfaces de cristaux transparents en utilisant la puissante irradiation des lasers. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Communication Nature .

Les chercheurs décrivent leur méthode, qui repose uniquement sur la lumière, pour déterminer les propriétés électriques et magnétiques des surfaces. Cette nouvelle méthode pourrait jouer un rôle important dans l'investigation de la transparence, matériaux non conducteurs, comme les méthodes établies utilisant des électrons connaissent souvent des limitations expérimentales en raison de la faible conductivité, entre autres difficultés. L'utilisation de la lumière permet de contourner ces limitations :lorsque les rayons lumineux frappent une surface matérielle, par exemple une vitre, ils se reflètent à l'interface, réfracté et absorbé dans le matériau. Ces effets, que l'on peut observer dans la vie de tous les jours, sont le résultat de l'interaction du champ lumineux faible avec les atomes et les électrons de la matière irradiée. Dans le cas de champs lumineux plus intenses, qui sont réalisés avec des lasers, d'autres effets se produisent, qui peut, par exemple, génèrent des fréquences lumineuses plus élevées, connues sous le nom de rayonnement harmonique élevé. Ces effets dépendent souvent de la direction d'oscillation du champ lumineux par rapport à l'arrangement atomique dans le matériau.

« Nous tirons parti de cette dépendance lors de la génération de rayonnements harmoniques élevés pour mieux comprendre les propriétés à la surface et à proximité de la surface des matériaux transparents, " déclare le premier auteur et doctorant Tobias Heinrich de la faculté de physique de l'université de Göttingen. " Le champ lumineux que nous utilisons est composé de deux impulsions laser tournant dans des directions opposées à deux fréquences différentes, et cela se traduit par un champ symétrique en forme de trèfle. » Ces champs lumineux sur mesure peuvent être adaptés à l'arrangement atomique du matériau pour contrôler la génération des harmoniques élevées.

"Nous montrons que ce contrôle peut être utilisé pour étudier l'aimantation à la surface de l'oxyde de magnésium, " explique le Dr Murat Sivis, le responsable de l'étude. Selon le sens de rotation du champ lumineux - également appelé chiralité - la lumière ultraviolette générée est absorbée à des degrés différents à l'interface. "Pour divers matériaux qui ne présentent pas réellement de magnétisation ou de conductivité électrique, ces propriétés à la surface ont été prédites en théorie, " dit Sivis. " Dans notre étude, nous montrons qu'il est maintenant possible d'étudier de tels phénomènes en utilisant uniquement des méthodes optiques, probablement même à des échelles de temps très courtes. » Les chercheurs espèrent également acquérir de nouvelles connaissances sur les propriétés électroniques d'autres matériaux chiraux, comme le montre l'étude en utilisant l'exemple de la structure cristalline hélicoïdale du quartz. La sensibilité aux phénomènes chiraux sur les surfaces pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles opportunités pour la recherche de matériaux fonctionnels innovants.